太赫兹波文献综述

太赫兹波技术摘要：太赫兹波是一个非常有科学价值但尚未被完令认识和利用的电磁辐射区域，它在成像、医学诊断、信息通信、空问、天文学乃至军事等领域都有着广阔的应用前景。本文从总体上介绍了太赫兹波的独特性质、臆用领域，阐述了太赫兹波的产生、太赫兹波探测的机理和方法，并简单讨论了太赫兹技术的发展前景：被誉为21世纪影响人类未来的十大技术之一的太赫兹波科学技术，将会在未来的数年问逐渐成熟并得到广泛的应用。引言太赫兹渡(又称THz波、T射线)通常足指频率在0．1—10THz范围内的电磁辐射，在电磁波谱上位于微波和红外线之间。THz频段是一个非常有科学价值但尚未被完全认识和利用的最后一个电磁辐射区域。许多年来，由于缺乏切实可行的THz波产生方法和检测手段，人们对THz波段的特性知之甚少，以致于该波段被称为电磁波谱中的“THz空隙”。正文1太赫兹波的独特性质太赫兹波的频率范围处于电子学与光子学的交叉蔓域。在长波方向，它与毫米波有重叠；在短波方向，它与红外线有重叠。在频域上，太赫兹处于宏观经典理论向微观量子理沦的过渡区。①THz脉冲的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以方便地对各种材料(包括液体、半导体、超导体、生物样品等)进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而日．通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰，得到具有很高信噪比(大于)太赫兹电磁波时域谱，并且具有对黑体辐射或者热背景不敏感的优点；②THz脉冲通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从GHz至几十THz的范围，便于在大范围里分析物质的光谱性质；③THz波的光子能量较低，1’r比频率处的光子能量大约只有4nlV，比x射线的光子能量弱107～108倍。因此THz波不会对生物组织产生导致电离和破坏的有害光，特别适合于对生物组织进行活体检查”“l。THz光子能量约为可见光，用THz做信息载体比用可见光和近巾红外光能量效率高得多；④THz波是具有量子特性的电磁波，具有类似微波的穿透能力，同时又具有类似光波的方向性。THz波也可以被特定的准光学器件反射、聚焦和准直，可以在特定的波导中传输。THz波对于很多非极性物质具有较强的穿透能力，可以穿透很多对于可见光和红外线不透明的物质如塑料、陶瓷、有机织物、木材、纸张等，因而可用来刘已经包装的物品进行质榆或者用于安全榆查。2太赫兹波的应用技术THz波频率很高(波长比微波小1000倍以上)，因而其空间分辨串很高；THz脉冲很短(飞秒级)，因而THz辐射又具有很高的时间分辨率。Ttlz时域光谱技术和THz成像技术就构成了THz应刚的两个主要关键技术。2．1THz时域光谱技术八十年代由AT&T、Bell实验宰和IBM的T．J．Watson研究中心发展起来的，是最新的太赫兹技术”。T也一TDS技术具有很多优点，如大带宽、高信噪比、可在室温下下作等，这些优点促成了THz—TDS技术越来越多的应用。太赫兹时域光谱技术作为最新的太赫兹技术，近十年来已经得到了相当的发展和应用。但是目前THz—TDS技术的光谱分辨率与窄波段技术相比还很粗糙，其可以测量的频谱范围也比傅立叶变换光谱(FTS)技术小。提高光谱分辨率和扩大测量频谱范围将足未来THz—TDS技术发展的主要方向。2．2THz成像技术”⋯THz渡广泛应用于无损检测领域，因此各种THz波成像技术成为THz波应用技术中最主要的研究方向。THz波成像技术有很多种，不同的THz波成像技术有着不同的应用，但目前这些成像技术大多尚在研究中．主要有：①用光电导偶极子的T射线常规成像技术；②用CCD摄像机的电光T射线成像技术；③使用单周期脉冲T射线通过时间反演进行物体重构的成像技术；⑧利川基尔霍夫移动的T射线反射成像技术；⑤动态孔径和暗场T射线成像技术；3太赫兹波的应用领域太赫鼓时域光谱(THz—TDS)技术是20世纪80THz时域光谱技术和11Hz成像技术在很多基础研究领域、生物医学领域、公共安全领域、信息通信领域甚至军事领域中都有着广阔的应用前景。3．1医学领域由于THz波具有类似x射线的穿透能力，而且其光子能量较低，没有x射线对活体组织的破坏作刚，因此THz波成像技术已经成为医学检查的一个有效工具。癌变组织和正常组织的THz渡具有不同的振幅、波形和时间延迟，对人体组织器官进行THz成像，可以从中得到肿瘤的大小和形状，可做出肿瘤的早期诊断。目前英国剑桥大学、日本东芝欧洲研究院等机构已经实现丁对皮肤癌、乳腺癌和牙齿等的THz波成像，获得的图像成为外科诊断和治疗的重要依据。3．2安全检查领域由于物质的THz光谱具有指纹特性，冈而可阱运用THz时域光谱技术检测包裹或信什中的毒品、爆炸物以及生物化学危险品等。可实现非接触、非破坏性的探测。美国911事什后，在信封中夹带生物病毒的恐怖活动曾引起了极大的恐慌和混乱，而THz波探测技术为防止此类恐怖活动提供了一个有力的T具。同样的方法还可用于多种生物大分子以及基因的分析与鉴别。THz波可以穿透衣物、纸盒、靼料等电介质，而液态水、金属等对于THz波具有强烈的吸收，因此THz波成像可以作为x射线成像、金属探测器的互补技术运用于机场、海关等处的安全检查。目前英国剑桥大学已经获得了人体的THz波透视图象。3．3通信领域THz波在通信方面的应用(如卫星间通信、短程大气通信、短程地面无线局域网通信等)一直受到各方面的高度重视。THz波是很好的宽带信息载体，它比微波的带宽和讯道数多得多，特别适合用作卫星问、星地间及局域网的宽带元线通信。rHz波用于通信可以获得10Gbps的无线传输速度，这比当前的超宽带技术还要快儿百到一千倍。与可见光和红外线相比，THz波同时具有极高的方向性以及较强的云雾穿透能力，因而THz通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信。由于金属和水对于TtIz波有强烈的吸收，THz波无线通信技术非常适合用于军事保密通信。3．4天文学领域FHz是射电天文学极其晕要的频段，美国国家航空航天局(NASA)对于宁宙背景辐射的研究结果表明，在可观测的星系辐射中，亚毫米波和太赫兹波占相当大的比例，这些辐射大多来自低温的宇宙尘埃，较老的星系(如银河系等)就充满了这样的宇宙尘埃，因此观测和分析这些太赫兹波段的辐射就成为天文学家研究宇宙的一个重要手段。小型太赫兹波空间探测器则可用于小行星和彗星探测，欧洲航天局计划发射的卫3．5其他领域THz技术还可应用于国防军事领域，如THz雷达分辨率很高，可成为未来高精度雷达的发展方向，可以完成远程监视、武器探测以及在战场上显示前方灰尘或烟雾中的坦克等任务。大气层巾的水、氧气、氮化物、氯化物等同样辐射THz渡，通过卫星携带的THz波探测器，可以对大气中这些气体的含量及分布等进行监测，从而为近年来引起广泛关注的全球气候变暖、臭氧层消失等世界性的环境问题，提供大量第一手的数据和资料。、THz波在物理学、等离子熔融诊断学、电子束诊断学及THz波显微成像学等研究领域也有着广泛应用前景。4太赫兹波的产生THz波的产生是THz科学技术的关键。缺乏大功率、低成本、便携式的室温发射源是当前THz技术发展的最主要的障碍。常见的用于产生Ⅱk的方法主要有宽带脉冲技术和窄带连续波技术。4．1宽频带太赫兹发射源大多数宽带THz发射源都是基于不同材料的超短激光脉冲受激发射原理。如光电导偶极天线技术、光学整流效应、半导体表面技术、等离子体振荡、非线性传输线等。①20世纪90年代初，D．H．Auston、D．Grisch等人用光电导偶极天线技术产生了THz电磁辐射脉冲。这种方法是现阶段产生和探测Flfz渡的最常用方法。其基本原理是：在光电导半导体材料表面淀积金属制成偶极天线电极，用光子能量大于半导体禁带宽度的超短脉冲激光泵浦半导体材料(如低温生长的GaAs等)，使半导体材料产生电子一空穴对。被激发的自由载流子在该外加偏置电压的作用下辆射}}：具有皮秒脉宽的THz电磁辐射脉冲，并通过天线向空间传播：②光学整流产生THz电脉冲的方法出张希成等人最先提出。光整流效应足一种非线性效应，是利用超短激光脉冲(脉宽在亚皮秒量级)和非线性介质(如ZnTe”“电光晶体等)相互作用产生低频电极化场，此电极化场辐射出THz电磁波。激光脉冲的特征和非线性介质的性质决定了Ⅱ{z波的振幅强度和频率分布；③从裸露的半导体表面产生THz波是基于很多半导体的表面状态被完全占用，于是靠近半导体表面与空气交界处的费米能级被牵制，导带和价带发生弯曲，从而产生一个耗尽区和一个表而强电场E．。这个电场与交界而垂直，代表值为105V／cm。当一个光子能量大于半导体带隙的超短入射光脉冲照射半导体表面时，人射的光载流子在半导体表面耗尽并被表面电场加速，从而产生超短瞬态电流．进而辐射出THz频率的电磁波。5太赫兹波探测器现阶段THz辐射源大多具有低发射功率与相对较高热背景耦合的特性，冈而需要高灵敏度的探测手段。在宽波段THz探测中，最常用的方法是基于热吸收的直接探测，需要冷却以降低热背景。常用的装置是液氦冷却的热辐射测量(bo|ometer)，以及利用超导技术研制成功的非常灵敏的超导(SIS)混频技术，它是一种低噪声检测技术，电是目前T比射电天文和大气物理研究的核心技术。sls探测器以光子辅助隧穿机制为理论基础，探测频率为0．1～1．2THz；另一种高灵敏度探测器是近t{F来利用声子和电子散射冷却机制发展起来的热电子辐射热计(HEB)，其响应频率很快，在lTHz辐射的探测上较SIS技术有更好的性能，目前其可探测的最高频率约为5’I'Hz。上述装置使用方便，但只能测出辐射的强度，仅能做非相干测量，不能提供相位信息，并且灵敏度受到背景辐射的限制。测嚣太赫兹时域光谱系统中的THz脉冲，需要使H相T探测器。目前最常用的方法是光电导采样和自由空间电光采样，这两种方法直接记录THz辐射电场的振幅时问波形，由傅立叶变换得到其振幅和相位的光谱分布。光电导天线足最早用于探测FHz脉冲的相I探测工具。6结束语太赫兹波科学技术已得到目际学术界的广泛关注，在世纪之交短短数年内，国际上戈于走赫兹波的研究机构大量涌现，并取得了很多研究成果。A赫兹波科学技术被誉为21世纪影响人类未来的十+大技术之一，世界各国对于太赫兹波科学技术的研究都极为重视。尽管目前太赫兹波器件技术还不成熟，使得太赫兹波虚用技术研究受到很大限制，但是太赫兹波科学技术已经向世人展现诱人的应用前景．